工作面预注浆在竖井井筒施工中的应用

熊木辉

(1.大冶有色金属有限责任公司铜绿山铜铁矿， 湖北 大冶市 435101； 2.湖北省有色金属资源开发与综合利用工程技术研究中心， 湖北 黄石市 435000)

工作面预注浆在竖井井筒施工中的应用

熊木辉1,2

(1.大冶有色金属有限责任公司铜绿山铜铁矿， 湖北 大冶市 435101； 2.湖北省有色金属资源开发与综合利用工程技术研究中心， 湖北 黄石市 435000)

通过铜山口铜矿主井井筒施工中防治水的实践，阐述了工作面预注浆在井筒工程施工中的选择与应用。实践表明，采用工作面预注浆，使主井井筒工作面涌水由81 m3/h左右控制在3 m3/h左右，大大改善了施工环境，保证了施工安全和进度。

主井掘进；岩溶水；工作面预注浆

铜山口铜矿深部开采主井工程，包括井颈段、井筒正常段、不良岩层段以及-160 m、-280 m、-400 m、-440 m中段马头门、-480 m皮带道马头门、箕斗计量硐室、-540 m粉矿回收马头门等掘砌工程。井筒净直径为4.5 m，井口标高为+59.2 m，井底标高为-539.32 m，井筒井颈段高58 m。

前期水文地质勘察测得主井最大涌水量为1950 m3/d、81 m3/h。岩溶水主要位于井筒-158～-215 m之间，含水层段高约57 m。由于含水量大，施工条件差，此段井筒施工既是工程进度的关键，也是安全工作的主要监测点，所以在井筒施工中必须采取切实可行的方法，在保证质量和安全前提下快速穿过含水层。根据该含水层在井筒的位置、含水量的大小、施工的难度，经综合分析，决定采用井筒工作面预注浆治理涌水，为实施打“干井”创造条件。

1 注浆设计

1.1 注浆位置及注浆形式

按照井筒水文资料，在井筒施工中注意观测水文变化情况，在快接近含水层时，施工超前探水钻孔，探孔深度≥10 m，当预计井筒涌水量达到10 m3/h时停止井筒掘砌，进行工作面预注浆，即从-153 m开始施工注浆钻孔(具体位置根据实际施工情况适当调整)，钻孔深度60 m。采用孔口封闭，孔内循环，自上而下分段注浆的施工方式。

1.2 注浆钻孔布置

注浆钻孔以井筒中心为圆心，沿井筒周围均匀布置。钻孔数量按下式计算：

式中，M为注浆孔数量；C为井筒半径，2.6 m；B为注浆钻孔中心到井筒掘进外轮廓距离，1.5 m；b为注浆钻孔间距，3 m。

经测算，布置6个注浆钻孔可满足井筒施工要求。

1.3 注浆材料及浆液注入量

根据水文地质资料，为降低施工成本，加快施工进度，注浆材料选用水泥-水玻璃浆液，同时为调节浆液初凝和终凝时间，添加一定比例的石灰作为调凝材料，即选用水泥、水玻璃和生石灰为注浆材料。注浆水泥为P.O 32.5级普通硅酸盐水泥，水泥细度要求为通过80 μm方孔筛筛余量不大于5%，所用水泥必须新鲜无结块，不合格水泥严禁使用。必要时可选用水玻璃掺合料或水泥尾砂浆-水玻璃双液注浆。水玻璃选用模数为2.4～3.0，浓度为30～45波美度。石灰选用当地石灰厂生产石灰或采用工业氢氧化钙。

按钻孔布置经计算注浆最小有效影响半径为5.5 m，注浆量用下式估算：

Q=λπ·R2·H·N/γ

式中，Q为单孔注浆量，m3；λ为浆液损失系数，约为1；R为浆液扩散半径，5.5 m；H为浆液注入高度，60 m；N为岩石空隙率，3%；γ为浆液结石率，约为1。

计算得每孔注入浆液约为171 m3，6个钻孔注浆量合计约1026 m3。共需要水泥913 t ，水玻璃约0.48 t。材料消耗量以施工现场实际消耗记录为准。

1.4 混凝土止浆垫

当井筒掘进过程中，经探水测得井筒涌水量达到10 m3/h以上时，停止掘砌施工，将井底碴石清理干净，进行混凝土止浆垫施工，止浆垫采用强度为C35混凝土，厚度按下式计算：

Bn=(KPoRO)/(R3-7)+0.3RO

式中，Bn为止浆垫厚度，m；K为 安全系数，取3；PO为注浆终压，15 MPa；RO为井筒荒半径取3 m；R3-7为混凝土3～7 d的极限抗压强度，取33.3 MPa。

计算得Bn=1.57 m。

1.5 孔口管埋设

孔口管选用Ф108×5无缝钢管，长3.0 m，孔口上部焊接法兰，以便于高压注浆阀连接，孔口管的下置深度必须透过混凝土止浆垫进入完整基岩，并用水泥浆封堵，确保稳固可靠。

2 注浆施工

2.1 注浆孔施工

注浆孔采用MZ120-Ⅱ型潜孔钻机施工，钻头直径Ф90 mm。钻机安装必须平稳、牢固。

根据设计6个注浆钻孔交错施工，先施工1，3，5号钻孔，后施工2，4，6号钻孔。钻孔施工中根据孔深、岩层变化采用硬质合金或金刚石钻头。坚持测斜，确保偏斜率小于1%。为了获得钻孔岩石的透水性资料，所有钻孔均需自上而下分段做压水试验，压水试验段长暂定30 m一段，根据钻探实际情况可适当调整。压水试验采用10 m3/h、20 m3/h、30 m3/h 3个流量级灌注，稳定时间大于30 min。同时做好岩层和水文变化记录。

2.2 注浆作业

为了保证注浆质量和效果，浆液配制、注浆须采用自动监测系统，自动记录注浆压力、流浆量、浆液密度和浓度等关键参数。浆液使用的材料应以施工现场所能提供材料为基础，浆液材料选用、配比及浓度根据地质条件等变化情况，经试验后确定。选用3SNS200/10注浆泵，集中造浆站造浆，拌制好的浆液通过管道送至各注浆孔进行注浆。注浆孔施工到设计深度准备注浆前，必须先冲洗钻孔，清除钻孔中的残留岩粉和岩石裂隙中所充填的粘土杂质等物质。然后进行压力试验，通过试验确定浆液配比，选择初始注浆浓度。注浆应采用先稀浆后浓浆逐级加浓的原则进行浆液浓度的变换。注浆时若注入浆液达到5.0 m3左右还未起压或压力很小时，可以加大浆液浓度。如果浆液浓度加大后，压力急剧上升，或耗浆量减少较大，则应及时减小浆液浓度。

2.3 注浆压力调整

注浆压力采用静水压力的1.5～2.0倍。初始灌浆压力在注浆过程中应根据浆液的消耗量及是否有串浆、冒浆等情况灵活掌握。注浆过程中应采取必要的措施保证孔内浆液往返畅通，井口压力过大时应及时采取措施进行回浆，根据压力情况，及时控制注浆量，直至达到终压终量，并稳定30 min以上。

2.4 结束注浆

注浆时压力均匀持续上升达到设计终压，同时钻孔吸浆量小于10 L/min时，稳定20～30 min，即可停止注浆。为节约施工成本，注浆孔兼做抽水检查孔。在各孔注浆完成后，分别在1号孔和3号孔进行扫孔作业，并随时观测扫孔过程中孔内水量变化情况。当孔内有明显出水时，应在该孔重新注浆，直至扫孔到设计注浆深度无涌水，才能结束注浆。注浆孔最后一段达到注浆结束标准后，采用“全孔灌浆封闭法”进行封孔。封孔压力使用最大灌浆压力，封孔注浆持续时间不小于30 min。

3 结束语

通过对铜山口铜矿深部开采主井工程工作面预注浆施工，使主井井筒作业面81 m3/h左右的涌水量控制在3 m3/h左右，取得较好效果，主井井筒得以正常施工，为工程按期完工创造了条件。实践证明，在井巷施工中，遇到涌水量较大的岩层时，采取工作面超前预注浆是顺利通过含水层的安全可靠施工措施，可以改善井筒施工环境，保证施工安全和质量，为施工创造有利条件。

[1]中国恩菲工程技术有限公司.大冶有色金属有限责任公司铜山口铜矿深部开采初步设计[R].北京：中国恩菲工程技术有限公司，2006.

[2]《采矿设计手册》编委会.采矿设计手册(井巷工程卷)[M].北京：中国建筑工业出版社，1987.

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[8]万 全,何忠明.超前全断面帷幕预注浆治理高压断层水技术研究[J].矿冶工程,2013(05):17-20.(收稿日期：2016-07-26)

熊木辉(1978-)，男，湖北黄石人，助理工程师，主要从事采矿工程技术研究和现场服务工作，Email：727860988@qq.com。